超快激光制造技術(shù)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與探索

云 靈,崔玉棟

(1. 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院, 江蘇 南京 210023;2. 浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 杭州 310058)

培養(yǎng)具有工程實踐和創(chuàng)新能力的綜合科技人才是高等院校的使命[1-2]。實驗教學(xué)作為高等教育結(jié)構(gòu)體系中的重要組成部分,在本科生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)中起到關(guān)鍵作用[3-4],因此緊跟世界前沿科技積極進行實驗教學(xué)的建設(shè)與探索意義深遠。隨著激光原理與技術(shù)、光纖通信系統(tǒng)以及光電子器件等課程對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)激光制造類實驗教學(xué)提出的要求越發(fā)嚴格,加強實驗教學(xué)硬件建設(shè)是高等工程教育改革的核心內(nèi)容之一。

高能量超快激光的電場強度強、能量密度高、時間尺度小,在光纖通信、激光微加工、精密測量、數(shù)據(jù)存儲、生物成像以及國防軍事等方面具有重大的應(yīng)用價值[5-7]。目前,部分高校的激光制造類實驗教學(xué)設(shè)備復(fù)雜笨重、故障率高、占地面積大、集成度低,難以進行組合擴展以及技術(shù)的升級改造。在新技術(shù)層出不窮的今天,傳統(tǒng)的實驗教學(xué)設(shè)備已經(jīng)不能滿足新形勢下“新工科”的實驗教學(xué)需求。針對上述不足,本文將結(jié)合科技前沿的高能量超快光纖激光器引入到實驗教學(xué)中,設(shè)計了超快激光制造技術(shù)實驗教學(xué)平臺,深入研究硫化鉛量子點的可飽和吸收特性,建立相應(yīng)的理論模型,制備硫化鉛量子點可飽和吸收體,借助獲得的可飽和吸收體搭建相應(yīng)的超快光纖激光系統(tǒng),從而實現(xiàn)穩(wěn)定的高能量超快激光輸出。在整個實驗過程中,學(xué)生需參照實驗的具體內(nèi)容,對實驗平臺予以靈活的設(shè)計和創(chuàng)建,最后,對實驗結(jié)果實施科學(xué)而準確的數(shù)據(jù)處理剖析,詳盡撰寫實驗報告,不僅可以加強學(xué)生對于基本概念和原理的理解,促進各知識點之間的融會貫通,使學(xué)生的工程創(chuàng)新綜合素質(zhì)得以顯著優(yōu)化,還可有效地培育并提升學(xué)生的創(chuàng)新能力,為學(xué)生今后參與科學(xué)研究活動和產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 實驗教學(xué)平臺框架

實驗教學(xué)平臺的功能主要圍繞實驗教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計,同時也要滿足實驗教學(xué)不斷革新的需求[8]。根據(jù)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)光電類課程的教學(xué)內(nèi)容,把課程內(nèi)具有代表性的超快激光制造技術(shù)以及與其密切相關(guān)的測試手段引入到實驗教學(xué)平臺中,盡可能滿足光電類課程的實驗教學(xué)需求?；诖?本文提出了如圖1所示的實驗教學(xué)平臺總體框架。

圖1 實驗教學(xué)平臺框架Figure 1. Framework of experimental teaching platform

該框架由硫化鉛量子點制備與表征、可飽和吸收特性測試與分析、可飽和吸收體設(shè)計與研制、超快光纖激光系統(tǒng)搭建與測試4部分組合在一起,構(gòu)成了綜合型超快激光制造實驗教學(xué)平臺。具體實驗包括:熱注入法制備硫化鉛量子點、對硫化鉛量子點進行基本的物理化學(xué)表征、探究硫化鉛量子點具備的非線性光學(xué)特性、剖析每個參數(shù)對可飽和吸收性能產(chǎn)生的具體影響、建立可飽和吸收的物理模型、滴涂法制備硫化鉛量子點可飽和吸收體、設(shè)計并創(chuàng)建可飽和吸收體鎖模光纖激光器、測試輸出脈沖特性、借助色散技術(shù)和非線性管理技術(shù)對超快光纖激光系統(tǒng)予以改進和優(yōu)化、改變泵浦和偏振等參數(shù)優(yōu)化超快激光性能等。該綜合實驗通過研究硫化鉛量子點的可飽和吸收特性,研制出調(diào)制深度值大、損傷閾值高、弛豫時間快的優(yōu)質(zhì)可飽和吸收體,實現(xiàn)基于該可飽和吸收體的高性能超快激光輸出。另一方面,通過實驗訓(xùn)練,可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、動手實踐能力以及分析和解決問題的能力。

2 實驗教學(xué)平臺內(nèi)容

該實驗教學(xué)平臺的具體內(nèi)容是:1)采用熱注入法合成硫化鉛量子點溶液;2)通過透射電子顯微鏡、X射線衍射儀、分光光度計表征硫化鉛量子點的基本物化特性;3)利用光纖熔接機搭建雙光路探測系統(tǒng)并研究硫化鉛量子點的非線性光學(xué)特性;4)通過MATLAB建立可飽和吸收的物理模型,對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬,描繪硫化鉛量子點的可飽和吸收特性曲線,獲得硫化鉛量子點的調(diào)制深度、飽和閾值功率、非飽和吸收損耗等數(shù)值;5)使用標準單模光纖和法蘭盤通過滴涂法研制基于硫化鉛量子點的可飽和吸收體;6)通過光纖熔接機將各無源/有源器件連接,設(shè)計并搭建基于該可飽和吸收體的超快光纖激光系統(tǒng);7)使用光譜儀、自相關(guān)儀、示波器、頻譜分析儀、光電探測器以及光功率計探測該激光系統(tǒng)輸出脈沖的時域、頻域和功率特性。具體實驗過程和結(jié)果如下所示。

2.1 材料制備與表征

實驗試劑和實驗儀器如表1和表2所示。實驗采用熱注入法合成硫化鉛量子點[9]。將450 mg氧化鉛、30 mL十八烯以及10 mL油酸添加到250 mL的三頸燒瓶內(nèi)予以不間斷攪拌,基于真空條件下對其進行加熱處理,令溫度上升至120 ℃,反應(yīng)時間保持在50 min來制備鉛源。將32 mg硫粉和10 mL油胺混合,加熱到90 ℃制備硫前驅(qū)體。將所得的硫前驅(qū)體在氬氣環(huán)境保護下,通過注射器快速注入到含鉛源的燒瓶中,加熱到120 ℃,反應(yīng)1 min之后通過冰水浴快速冷卻至室溫。用環(huán)己烷溶液對所得的硫化鉛量子點實施分離純化處理,離心機離心時間為5 min,反復(fù)進行3次。將制備獲得的硫化鉛量子點基于真空環(huán)境下干燥,最后重新溶解在環(huán)己烷溶液中。

表1 實驗試劑Table 1.Experiment reagent

表2 實驗儀器Table 2.Experimental apparatus

借助透射電子顯微鏡對硫化鉛量子點的基本形貌進行表征,結(jié)果表明硫化鉛量子點具有良好的分散性,呈球形。計算可得其平均粒徑約為6.5 nm。通過X射線衍射儀分析硫化鉛量子點晶體結(jié)構(gòu)可知,硫化鉛量子點在25.163 1°、29.142 6°、41.673 1°、49.346 5°、51.591 4°和67.672 8°的主要衍射峰分別為立方晶體硫化鉛的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)和(420)面。所測得的X射線衍射譜圖與標準硫化鉛相同[10],沒有氧化鉛或其他前驅(qū)體存在,說明實驗制備的硫化鉛量子點純度較高。借助分光光度計對硫化鉛量子點對應(yīng)的線性吸收光譜進行表征,圖2為熱注入法制備的硫化鉛量子點從900 nm到1 700 nm的線性吸收光譜,吸光度隨著波長增加而減小,且在1 500 nm處有一個明顯的吸收峰。

圖2 硫化鉛量子點吸收光譜Figure 2. Absorption spectrum of lead sulfide quantum dots

2.2 可飽和吸收特性測試與分析

可飽和吸收是指隨著入射光強度的增加,物質(zhì)對光的吸收降低的一種現(xiàn)象[11]。利用雙光路探測技術(shù)[12]研究硫化鉛量子點的可飽和吸收特性,實驗裝置如圖3(a)所示。在實驗中,飛秒激光經(jīng)過分束器后產(chǎn)生兩路脈沖,其中一路光脈沖與硫化鉛量子點相互作用而另一路光脈沖直接通過。利用衰減器調(diào)節(jié)輸入光強并分別記錄兩路輸出脈沖的功率,從而建立硫化鉛量子點吸收特性與輸入光強之間的關(guān)系。根據(jù)實驗結(jié)果和二能級系統(tǒng)的吸收、躍遷理論,建立了快速可飽和吸收所對應(yīng)的物理模型,與之對應(yīng)的透過率函數(shù)表達[13]為

(a)

(b)圖3 硫化鉛量子點可飽和吸收特性測試(a)雙光路探測系統(tǒng) (b)可飽和吸收曲線Figure 3. Measurement of saturable absorption characteristics of lead sulfide quantum dots(a)Double optical path detection system (b)Saturable absorption curve

α(I)=αns+α0/(1+I/Isat)

式中,α(I)表征材料的吸收系數(shù);α0表征調(diào)制深度;αns表征非飽和吸收損耗;Isat表征飽和閾值功率。圖3(b)為硫化鉛量子點的可飽和吸收曲線,可以看出,隨著入射光功率的增大,材料的光透過率先快速增加,在超過飽和閾值功率后逐漸達到飽和,然后趨近于一定值。研究表明,硫化鉛量子點可飽和吸收體的調(diào)制深度α0達到了31%,非飽和吸收損耗αns的值為20%,飽和閾值功率Isat=1 MW·cm-2。

2.3 可飽和吸收體設(shè)計與研制

可飽和吸收體屬于激光器實現(xiàn)被動鎖模的核心器件之一,其透過率與光波強度相關(guān),可以起到窄化脈沖寬度的作用[14]。硫化鉛量子點是一種具有較小禁帶寬度(0.41 eV)和較大玻爾半徑(18 nm)的直接帶隙半導(dǎo)體,可由尺寸調(diào)控帶隙(0.4～2.0 eV),能對600～3 000 nm范圍內(nèi)的入射光實現(xiàn)高效率吸收[15-16]。上述特性使硫化鉛量子點作為可飽和吸收體,在增強光與物質(zhì)相互作用方面具有顯著優(yōu)勢。用1 mL注射器將所得的硫化鉛量子點溶液均勻滴涂到標準單模光纖跳線端面,在室溫常壓下緩慢蒸發(fā),待干燥后,將其與另一根單模光纖跳線用光纖法蘭盤連接起來,可獲得硫化鉛量子點可飽和吸收體,如圖4所示。

圖4 硫化鉛量子點可飽和吸收體Figure 4. Lead sulfide quantum dot saturable absorber

2.4 超快光纖激光系統(tǒng)搭建與測試

為進一步探索硫化鉛量子點可飽和吸收體具備實現(xiàn)超短脈沖的潛力,本文設(shè)計搭建了基于硫化鉛量子點鎖模的摻鉺光纖激光系統(tǒng),并研究了相應(yīng)的輸出脈沖特性,實驗裝置如圖5所示。泵浦源借助兩個980 nm的激光二極管實現(xiàn)供給,借助兩個980/1 550 nm的波分復(fù)用器和摻鉺光纖實現(xiàn)高度耦合,偏振無關(guān)隔離器用于保證激光單向傳輸,采用50%輸出比的輸出耦合器監(jiān)測輸出脈沖信號,偏振控制器用于調(diào)節(jié)腔內(nèi)雙折射。硫化鉛量子點可飽和吸收體作為鎖模器件。該激光系統(tǒng)所有器件均通過光纖熔接機連接,諧振腔總長度約23.6 m,由5.0 m的摻鉺光纖和18.6 m的單模光纖組成,計算可得諧振腔凈色散為-0.3 ps2。采用光功率計、光譜儀、自相關(guān)儀、示波器和頻譜分析儀監(jiān)測輸出脈沖特性。

圖5 超快光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 5. Structure of ultrafast fiber laser system

基于超快光纖激光系統(tǒng),當(dāng)泵浦功率增加到5 mW時,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自啟動鎖模,說明硫化鉛量子點可飽和吸收體具有較低的飽和閾值功率。在泵浦功率繼續(xù)提高至700 mW的過程中,通過調(diào)節(jié)偏振控制器,激光器可以保持穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出,輸出脈沖對應(yīng)的典型光譜如圖6(a)所示。結(jié)果表明,到光譜兩邊具有明顯對稱的凱利邊帶,是光克爾效應(yīng)和光纖色散之間達到平衡的結(jié)果[17]。光譜對應(yīng)的中心波長為1 559.5 nm,光譜帶寬為3.63 nm。脈沖自相關(guān)曲線如圖6(b)所示,與之對應(yīng)的脈沖寬度為1.16 ps,例如取雙曲正割擬合則其脈沖寬度為760 fs。與之對應(yīng)的時間帶寬積為0.34左右,意味輸出脈沖基本上并未出現(xiàn)啁啾[18]。圖6(c)是輸出脈沖對應(yīng)的示波器序列,脈沖強度統(tǒng)一且兩個相鄰脈沖間的間隔等于115 ns,與之相應(yīng)的脈沖在腔內(nèi)循環(huán)一周的周期,意味光纖激光器工作處于基頻狀態(tài)。圖6(d)是輸出脈沖對應(yīng)的射頻頻譜圖,基于100 Hz條件下基頻信息展示脈沖的重復(fù)頻率為8.7 MHz,信噪比達到了60 dB,說明激光器具備良好的鎖模性能。實驗結(jié)果表明,硫化鉛量子點可飽和吸收體的損傷閾值超過了16 mJ·cm-2,鎖模脈沖對應(yīng)的平均功率為70 mW,經(jīng)核算得出輸出脈沖能量為8 nJ,與之對應(yīng)的峰值功率為11 kW。實驗結(jié)果可以媲美絕大多數(shù)基于低維納米材料鎖模的光纖激光器。綜上可知,硫化鉛量子點是一種工作波長寬帶、飽和閾值極低、響應(yīng)時間超快以及損傷閾值相對較高的理想可飽和吸收材料。

(a)

(b)

(c)

(d)圖6 鎖模脈沖(a)光譜 (b)自相關(guān)曲線 (c)示波器序列 (d)頻譜Figure 6. Mode-locked pulse(a) Spectrum (b)Autocorrelation curve (c)Oscilloscope trace (d)Radio-frequency spectrum

3 實驗教學(xué)平臺應(yīng)用

超快激光制造是面向光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)的一門綜合性創(chuàng)新實驗,結(jié)合科技前沿,通過軟硬件結(jié)合的方式研究了硫化鉛量子點的制備與表征、可飽和吸收特性檢測與分析、可飽和吸收體制備、超快光纖激光系統(tǒng)的搭建與測試。結(jié)果表明,基于硫化鉛量子點的可飽和吸收體飽和閾值低、響應(yīng)時間快、損傷閾值高以及工作波長寬帶,對于高能量超快激光的產(chǎn)生具有獨特的優(yōu)勢。該實驗教學(xué)平臺已經(jīng)用于光電子器件課程的相關(guān)實驗教學(xué)當(dāng)中,有利于學(xué)生深入理解光電子器件所涉及的光有源/無源器件(光纖激光器、激光二極管、光電探測器、波分復(fù)用器、輸出耦合器、光隔離器、光纖連接器、偏振控制器、光衰減器)的原理,以及光纖中存在的損耗、色散和非線性效應(yīng)等特性,使學(xué)生做到對知識點的融匯貫通。同時該實驗平臺擔(dān)負著較多高水平科研項目相關(guān)實驗任務(wù),是科研與教學(xué)相融合的典型體現(xiàn)。

4 結(jié)束語

實驗教學(xué)對通過實驗方法與技術(shù)驗證理論知識具有重要意義?；谛滦偷途S納米材料的可飽和吸收體實現(xiàn)多功能、可擴展的超快激光制造實驗教學(xué)平臺為面向光電信息科學(xué)與工程專業(yè)激光制造類實驗教學(xué)提供了強有力的技術(shù)支撐,是教學(xué)與科研融合在學(xué)科專業(yè)建設(shè)中的典型體現(xiàn)。該實驗涵蓋硫化鉛量子點的制備與表征,并對其可飽和吸收特性展開了深入研究。剖析每個參數(shù)對可飽和吸收性能產(chǎn)生的具體影響并建立相應(yīng)的物理模型,研制硫化鉛量子點可飽和吸收體,搭建測試并改進以該可飽和吸收體鎖模的超快激光系統(tǒng)等。實驗內(nèi)容由簡入難,而且與光電子器件課程所講授的理論知識,例如能帶結(jié)構(gòu)、光無源/有源器件工作原理等知識緊密結(jié)合,能夠進一步加強學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解。在具體實驗過程中,學(xué)生可借助文獻搜集、實驗操作、數(shù)據(jù)分析以及實驗報告撰寫等一系列的環(huán)節(jié)完成一次綜合實驗體驗,此類開放式的實驗?zāi)Ｊ侥軌蜉^大程度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力以及實踐能力。借助該綜合實驗可以引導(dǎo)學(xué)生立足于不同角度進行思考,有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問題的能力,為今后更好地進行科研活動打下良好的基礎(chǔ)。